黏土心墙渗透系数对土石坝渗流稳定性的影响研究

吴建勇,殷 思

(1.江西省水投工程咨询集团有限公司,南昌 330000;2.江西省水泰工程检测有限公司,南昌 330000)

1 概 述

我国西南山区坡高谷深,水力水电资源丰富,大型水库大坝建设对于当地经济和社会发展具有重要作用。水库大坝的稳定性是关乎水力设施安全运营的重要因素,而大坝的渗流条件是影响大坝稳定性的重要因素。为此,许多学者针对大坝的渗流稳定性进行了相关研究。史建峰等[1]构建了Geo-Studio土石坝渗流场计算模型,系统研究了某土石坝渗流稳定性的因素。结果表明,降雨强度、降雨型态和降雨持续时长是影响土石坝稳定性的主要因素。徐颖等[2]依托瀑布沟砾石土心墙土石坝工程,系统分析了主、副墙渗透系数变化对坝基渗流场的分布影响。贺亚魏等[3]基于非饱和渗流理论,系统分析了水位波动对黏土心墙土石坝稳定性的影响,为水库调水和日常管理提供了参考。王开拓等[4]依托均质土石坝库工程,建立了Geo-Studio数值计算模型,研究了库水位降落对土石坝稳定性的影响。结果表明,坝体浸润线变化时刻滞后于库水位降落时刻,且滞后时长与水位下降速率呈正比。库水位下降速率越大,土石坝稳定性越差。倪沙沙[5]基于饱和-非饱和非稳定渗流理论,研究了雨强和雨时对土石坝稳定性的影响。结果表明,两者对土石坝的渗流场及坝坡稳定性均有明显的影响。宁威锋[6]基COMSOL计算了水库土石坝体渗流特征,提出了合理的防渗措施,为水利工程中防渗墙设计及渗流分析提供了参考。

本文基于数值模拟,研究土石坝心墙渗透系数变化和不变两种情况下,大坝的渗流场特性及稳定性规律,研究结果可为类似土石坝工程防渗及稳定性优化提供参考。

2 饱和-非饱和渗流理论

非饱和达西定律为:

饱和-非饱和渗流理论中,多孔介质渗流连续方程为:

式中:ρ为流体的密度,g/cm3;vi为流体的流速,m/s;Q*为流体的流量,m3/s;n、Sw分别为土体孔隙率和饱和度。

联立以上两个方程,可得饱和-非饱和微分方程:

(3)

式中:C(hc)为容水度,无量纲;Ss为贮水量,kg·m-2·s-2。

3 工程算例

3.1 工程概况与数值模型

研究区土石坝位于我国西南山区某地,坝址控制流域面积约6.57×104km2。坝体主要分为4个区域,分别为心墙、反滤层、过渡区及堆石坝料。坝顶宽15m,坝底宽305m,坝顶和坝底高程分别为2 875和2 580m,坡比为1∶2.0。采用ABAQUS建立数值计算模型,见图1。

图1 数值计算模型

数值计算中,为了提高计算效率,假定土石坝为不透水地基,岩土体本构模型为摩尔-库伦模型。数值计算的岩土体力学参数根据室内土工试验获得,最终采用的力学参数见表1。此外,为了简化计算,大坝底部按隔水边界处理。

表1 材料物理力学参数取值

3.2 计算工况

已有研究表明,在水位变化情况下,材料不同的渗透系数对坝体的渗流场影响较大。为了研究大坝在竣工期、蓄水期末和稳定期坝体不同渗透系数对坝体渗流场和稳定性的影响,分别考虑渗透系数变化和渗透系数不变两种情况下坝体内力和渗流场的变化规律。

4 结果与分析

4.1 竣工期大坝渗流变形分析

图2、图3分别为大坝竣工期水平位移等值线分布和应力水平等值线分布。结果表明,大坝朝向上游和下游的最大水平位移分别为0.9和1.7m。根据坝竣工期应力水平等值线可知,高应

图2 竣工期水平位移等值线分布

图3 大坝竣工期应力水平等值线分布

力水平区域出现在心墙内部。这是由于在竣工期最大主应力和最小主应力均出现在心墙坡脚位置,因心墙和坝体变形不协调而出现明显的“拱效应”导致的。

4.2 蓄水期末大坝渗流变形分析

蓄水期末心墙压强水头和总水头随高程变化见图4。结果表明,在k变化和k不变两种情况下,蓄水末期压强水头随高程的增大而减小,且两种情况下,变化趋势和具体数值的大小均保持相同。由图4(b)可知,心墙总水头随高程增大而先增大后减小,其中高程为2 750m时为总水头变化的的极值。此外,心墙黏性土渗透系数变化时,浸润线之下心墙中线节点总水头也减小。

图4 蓄水期末心墙压强水头和总水头随高程变化

蓄水期末期心墙水力梯度和单宽流量随加载步变化见图5。由图5(a)可知,对于k变化和k不变的情况下,最大出逸水力梯度随加载步变化基本保持一致。其中,最大出逸水力梯度仅在第24加载步相差较大。其主要原因是由于渗透系数变化时,心墙渗透系数随时间增大而减小。因此,最大出逸水力梯度也逐渐小于渗透系数不变的情况。由图5(b)可知,随着上游水库蓄水位的增大,单宽流量逐渐变大,渗透系数不变的情况下,单宽流量的增幅远大于渗透系数变化的情况。

图5 蓄水期末心墙水力梯度和单宽流量随加载步变化

蓄水过程中,大坝水平位移最大值随加载步的变化见图6。由图6可知,坝体水平位移最大值的整体趋势随加载步增加而增大。且渗透系数不变和渗透系数变化两种情况下,水平位移表现的规律完全相同。其主要原因是由蓄水产生水压力,且渗透系数随加载步增大而减小,心墙透水性降低,渗流力减小所导致的。此外,渗透系数变化时的大坝水平位移整体大于渗透系数不变的工况。

蓄水过程中,渗透系数不变和变化情况下,大主应力和小主应力最大值随加载步的变化见图7。结果表明,大小主应力均随加载步增大而逐渐减小。当考虑心墙黏性土渗透系数变化时,大小主应力最大值第18步出现突变,且该情况下的应力最大值相较于渗透系数不变时均有所增加[7]。

4.3 稳定期大坝渗流变形分析

考虑从开始蓄水后100年内渗透系数变化和不变的情况下,心墙中线节点的压强水头、总水头随高程的分布规律见图8。由图8(a)可知,渗透系数变化和不变的两种计算情况下,心墙中线节点压强水头随高程的增大而线性减小,考虑心墙黏性土渗透系数变化时,压强水头有所减小。由图8(b)可知,考虑渗透系数变化的情况下,浸润线之下的总水头也呈减小趋势。

5 结 论

本文采用ABAQUS数值模拟,研究了土石坝在不同时期、心墙渗透系数变化与不变两种情况下,大坝的变形及渗流规律。结论如下:

1)考虑心墙渗透系数变化和不变条件下,大坝的渗流及渗流-变形耦合结果总体变化规律基本相同,心墙渗透系数变化时,坝体和心墙的水平位移最大值均增大。心墙中线节点压强水头随高程的增大而线性减小,考虑心墙黏性土渗透系数变化时,压强水头有所减小。浸润线之下的总水头也呈减小趋势。

2)心墙渗透系数变化时,心墙的大主应力和小主应力均随加载步的增大达到稳定的时间也增大。工程防渗计算中,考虑心墙渗透系数变化的计算方法相较于渗透系数不变的简化方式更为合理。